热传输原理后五章总结.docx

第七章导热传热：导热是温度分布不均匀的，并相互接触的物质体系中，靠分子原子尺度的运动所进行的一种热量传递方式。对于这种微观分子原子尺度运动所产生的传热行为及宏观上的传热速率，由传热第一定律，即傅立叶导热定律对流传热：对流是指流体各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递过程。也称牛顿换热式）来计算流体与固体壁之间的传热流速率qy： qy0表示-y方向式中：Ts固体表面温度.T流体的平均温度h称为对流换热系数(也常称牛顿对流换热系数) w/m2由上分析可知，对流换热系数与各种复杂因素有关：v及流动方式（层流、紊流）； s和及界面的几何、物理条件等。在工程对流换热流计算中，h通常用实测的方法来确定，对于简单流动情况下，也可用理论分析的方法确定。辐射传热：物体通过电磁波的形式向环境传递热量的过程，为辐射传热。对于表面温度为T的物体与单位时间通过单位面积向外发出的辐射能，也称热流密度q，可表达为：T绝对温度（K）0黑体辐射常数(5.67x10-8w/(m2.K4)与发射和吸收辐射电磁波的物体、环境表面状况 和几何条件有关的系数（黑度）可见，辐射传热流密度q与T的4次方成正比。温度场：物体中所有位置温度的集合称为该物体中的温度场。等温面：在同一时刻，物体中温度相同的各点的集合（通常为曲面或曲线），称为等温面（或等温线）。等温面的性质：1）等温面(线)的某点法线方向上单位距离长度的温度变化最大；2）代表不同温度的等温面(线)均不相交。（若相交，则在相交处有两个温度，是错误的） 温度梯度：物体中温度场沿某一方向上单位距离长度上的温度变化量，称为该方向上的温度梯度。温度场T(t,x,y,z)在x方向上的变化，可写为： 等温面(线)上某点P处的法线方向 上的温度变化最大，因而，通常将等温面(线)在P点的法线方向上的温度梯度，称为物体在P点上空间温度梯度。表示为：第八章三类基本传热边界条件 (1)第一类边界条件 边界上的温度已知，即T |=Tb (t, x, y, z) (x, y, z)G 当T | =0时，称为齐次第一类边界条件2)第二类边界条件 边界上法线方向上的温度已知，即热流密度q |已知 即： (x, y, z)G 当 时，称为齐次第二类边界条件如在对称的导热物体的对称面(线)，即是如此，它代表了绝对面 (3)第三类边界条件 边界上一点的温度与该点温度处法向导数的线性之和是已知的， 即： (x, y, z)G 上式第三类边界条件表达式的物理意义是固体在表面上的导热热流通量通过对流换热方式传给温度为T=f (t, x, y, z)/ h 的流体环境中，即 当 时，称为齐次第三类边界条件 其物理意义是边界热流以对流方式传给温度为零的流体环境中。 上述三类边界条件与温度的关系都是线性的。当边界为辐射传热时，边界条件是非线性的。如：傅立叶导热定律是描述以导热方式传热热流密度的基本表达式。 在导热传热中，将y方向上的导热热流密度(the rate of heat flow)写为： 上式为一维方向上的傅立叶导热定律的形式。 在三维空间中傅立叶导热定律的表达式为： 式中q热流密度w/m2；导热系数w/mk (7-1)式和(1)式表明：某方向上的导热热流密度与该方向上的温度梯度成正比；负号表明传热方向与温度梯度方向相反，即导热热流方向为温度降低的方向；系数为导热系数，它表明物体的导热能力的大小，取决于导热物质的物理性质，通常取温度T变化。 =(T) w/m (1)式还表明物质中某点P处最大导热热流的方向为P所在等温面的法线方向。 导热系数(thermal conductivity)在数值上等于物质中在单位温度梯度下产生的热流密度。 在一定范围内，可以认为固体导热系数是温度的线性关系。 =a+bT; a温度为0时的导热系数; b取决于物体本身的系数 第九章强制对流换热： 流动靠外力，如水泵、风机等来驱动,特点：流动速度大、常常是紊流对流换热能力强、h自然对流换热：由于温度浓度分布不均匀(T, CL )不均匀，在重力场下，会上浮或下沉流动特点：流动强度直接与 T/n, c/n有关，一般强度不大，通常为层流，对流换热相对弱些，h q = h (T - Ts) ,式中： q对流换热热流密度（通量：W/）h对流换热系数（W/）T，Ts流体和固体表面温度（） 换热系数h 的影响因素1、流体的流速:n 流速层流底尽c变薄，热阻变小，导热增强，hn 流体内部相对运动加剧，hn 在强制对流时，加强流速，耗更多能量。应选取适当流速。 2、流体的物性量n ，热阻 / 小，h h水= 20h空气 n c载热能力强，热交换强，hn 滞止作用大，c厚 ，减弱对流，hn 需要综合考虑：如水，粘性大，但c、也大。因此比空气（粘性小）的换热系数大的多。3、壁面几何尺寸、形状、位置：n 垂直放置h，水平放置h（顺流动方向放置）当紊流整体速度为V的流体流过一平板时，除产生一速度边界层(x)外，类似的：当紊流流体温度T 与平板表面温度Ts不相等时，由于传热还会产生温度边界层 T(x) 。温度边界层的厚度 T 是如下定义的: 当流体（其温度分布不均匀）温度为整体温度 T 的99% 时，即： T (x, y, z) = 0.99T时所对应的距离平板的高度( T =y)，定义为温度边界层厚度。此式称为傅立叶克希荷夫导热微方程 适用：一切传导、对流的稳定和不稳定传热对固体中的导热中的傅立叶第二定律是v=0时的特例： 固体稳态时的导热是 时的特例： Vx, Vy, Vz, T, p 五个方程，五个未知数联立求解，可用于各种稳定于非稳定导热柱面坐标系的对流传热方程的形式平板边界层流流动对流传热的定解描述方程二维稳态对流传热 (9-9)热扩散系数； 项可忽略。上式(9-9)中，考虑了 Vx和Vy对流传热的影响；方程右端为扩散项，对于沿平板流动流体与板间的对流传热，以垂直平板方向传热为主，在靠近平板处（V0），以导热为主；在 x方向上，由于对流，温度分布近于均匀T/x=0 ， 所以在(9-9)式中忽略了2T/x2 项对流传热方程(9-9)式中，含流动速度分量Vx和Vy，所以还需要流动的方程组（N-S方程，和连续方程） 强制流动动量方程（作用力忽略不计）： (1) 连续方程： (2) 方程(9-9)，(1)和(2)构成沿平板强制对流传热的微分方程。还需要边界条件，才能构成相应的问题的定解方程组。 n 传热边界条件 ： (1) (2) n 流动边界条件： 热辐射 :任何物体当T0 K时，其物质中的原子/分子都会产生热运动，并引起其电子运动轨道的变化，从而向周围空间产生各种波长的电磁波。 这种电磁波具有能量，当被其他物体吸收后，其中波长在0.1100m范围内的电磁波会转化为热能，这样一种热能传输方式称为热辐射。辐射照度 E定义： 称某物体在单位时间内单位表面积上向半球空间所有方向发射的全部波长的辐射能的总能量，为该物体的辐射照 EW/m2。E 是反映物体发射辐射能量大小的一个物理量。 质量传输：物质从体系的某一部分迁移到另一部分的现象。它有三种基本传输方式：1、扩散传质：由于体系中某组分存在分布不均匀的浓度差而引起的质量传输称为扩散传质。浓度差是扩散传质的驱动力。2、对流传质：在流体中，由于流体宏观流动引起物质从一处迁移到另一处的现象称为对流传质。3、相间传质：通过不同的相界面进行的传质过程，是多种传质的综合过程。第十一章固体中的扩散机理空位扩散机理晶格节点上的原子在热振动中，可能从一个晶格节点跳到相邻的空位而在原来的位置留下新的空位。其他相邻的原子就会跳到这个新空位上，如此出现连续的原子位置迁移，实现了物质的移动。2、间隙扩散机理 当直径比较小的原子(离子)进入晶体时，它的扩散可在点阵间隙之间跃进进行如图11-2(b)所示，如直径较小的原子(离子)为溶质，就可以形成间隙式固溶体。3、环圈扩散机理在某些体心、面心立方晶体的金属中，原子的扩散是通过相邻两原子直接对调位置或几个原子同时沿某一方向转动互相对调位置进行的如图11-2(c)所示，这种扩散方式为环圈扩散。尚未得到直接证据。固体中的扩散系数1、自扩散系数 在没有化学成分梯度的均质合金或纯金属中，由于原子本身的热运动，通过空位、间隙或环圈扩散的机理，由点阵一处移至另一处，这种不依赖于浓度的扩散称为自扩散。自扩散净流率为零。自扩散不服从菲克第一定律。2、本征扩散系数体系中 i 组分是以自身的浓度梯度为动力而进行的扩散，称为本征扩散，其扩散系数与其它组元的浓度场和扩散无关。3、互扩散系数多组分体系中，各组分相互有影响的扩散称为互扩散。 扩散系数的影响因素1、温度：固相扩散系数与温度之间的关系为: 式中：R气体常数8.31 ( J / molk )； Q扩散激活能； D0与溶质原子/分子振动频率有关的常数。 在很宽的温度范围内，Q 和D0 基本为常数。可见 2、晶体结构： 一般原子/分子排列越紧密的晶体结构，原子/分子之间结合能越大，Q 越大，D 越小。 3、溶质原子/分子的相对尺寸溶质分子/原子尺寸相对晶格结点原子/分子越大，迁移引起晶格的畸变越大，D 越小。 4、晶格缺陷：位错、晶界等晶格缺陷，密度越高，D 越大。5、合金的组分浓度对D 也有影响，没有规律，影响方式靠实测确定。 体系中组分 i 的浓度通常是时间和空间位置的函数。 即：ci = f ( t, x, y, z)，浓度场随时间发生变化的扩散传质状态称为不稳定(或非稳定)扩散传质。把一段金棒与一段镍棒焊在一起组成扩散偶； 焊接面上用钨丝、钼丝作为焊接面标记；扩散偶置于900保温；发现焊接面向金一侧移动（金棒变短）。这种现象称为 柯肯达尔效应。原因：1、金通过焊接面向镍棒扩散；2、镍也向金棒扩散；3、金比涅扩散得快、多；4、金棒变短，镍棒变长。第十二章空间区域离散方法：把计算域划分成许多互不重叠的子区域，或称为网格单元。用有限个点的信息代表各自